宇宙機やレーシングカー、そして近年では航空機でも多用されるようになってきたカーボン複合材は、軽くて丈夫というメリットがある。そのいっぽうで、大きな問題もあった。それはリサイクルがきわめて難しいことだ。その点は、アルミや鉄と比べて大きなデメリットであるといえる。しかし、そんなカーボンファイバーのリサイクルを可能にする研究が発表された。
樹脂と繊維を分離する
この研究はジョージア工科大学の研究チームが発表したものだ。ある種類の熱可塑性カーボン複合材であれば、ほぼ100%リサイクルが可能になるというものだ。
この方法では、カーボンファイバーをあるアルコールの溶解液に浸し、カーボン複合材の形を作っているエポキシ樹脂を溶かしていく。それが完了すれば、カーボン複合材を構成するカーボン繊維とエポキシ樹脂を分離することができ、再利用することが可能になる。
「この方法は、すぐにでも工業的に活用できると思います。そして、経済的にも環境の面でもメリットがあります」と研究チームのKai Yu氏はいう。
あらためてカーボン複合材の仕組みを説明しよう。基本はエポキシ樹脂などを使ったプラスティックである。しかしプラスティックだけでは弱いので、中に繊維を入れて強化することがある。それが繊維強化プラスティックで、いわゆるFRPなどと呼ばれるものだ。ガラス繊維を使ったものが特にポピュラーで、浴槽などにも使われる。
そのプラスティックを強化するための繊維としてカーボン繊維を使用したものがカーボン複合材だ。特に強度が高く、軽く作ることが可能だ。
そのいっぽうで、FRPは再利用が難しい。プラスティックの成分であるポリマーの母材は架橋結合していて簡単には溶けない。そのためカーボン繊維から分離することがむずかしいのだ。なお、カーボン繊維は特に再利用の価値が高いが、樹脂から分離しないと、再利用はむずかしいようだ。
vitrimerエポキシに有効
研究チームは、カーボン複合材に使われるエポキシ樹脂のなかでもvitrimerと呼ばれるタイプのものに注目した。vitrimerは傷がついても自己修復をする機能があるユニークな樹脂だ。
「vitrimerは一定の状況であれば、一体性を保ったまま自ら構造を変化させることができるダイナミック・ボンドを含んでいます」とYu氏はいう。「私たちは、そこに、小さな分子を持つアルコールを加えることで、（vitrimerの）組織が変化する反応に参加させ、vitrimerを溶かすことにしました」
このリサイクル手法は、アメリカとヨーロッパだけで毎年何千トンも出てくるカーボン複合材の廃棄物の問題を解決できる可能性があるという。また、このリサイクル手法は非常にシンプルなので、スケールアップも容易だそうだ。
カーボン複合材は魅力的な材料だ。たとえば自動車や飛行機を軽くすることができれば、それだけ燃費を改善することができる。現時点では、価格もネックだが、今後はより活躍の場が広がっていく素材だろう。しかし、カーボン繊維は、材料も高価だ。こういう手法でリサイクルが可能になれば、ゴミも減るし、カーボンの価格も下がるかもしれない。実用化に期待したい研究だ。
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